陶瓷刀具材料的增韧补强研究山东工业大学机械系（济南２５００１４）邓建新，艾兴【编者按】本 文介绍了近年来陶瓷刀具材料的发展以及增韧补强研究的新进展，并对今后陶瓷刀具材料的研制方 向进行了讨论．关键词刀具材料，陶瓷，增韧机理ＴｏｕｇｈｅｎｉｎｇＢｅｈａｖｉｏｕｒｏｆ ＣｅｒａｍｉｃＣｕｔｔｉｎｇＴｏｏｌＭａｔｅｒｉａｌｓ￥ＤｅｎｇＪｉａｎｘｉｎ；ＡｉＸ ｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐｏｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｔｏ ｕｇｈｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｃｅｒａｍｉｃｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｍａｔｅｒｉ ａｌｓａｒｅｆｉｒｓｔｒｅｖｉｅｗｅｄ．ａｎｄｔｈｅｎ，ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂ ｊｅｃｔＳｏｎａｄｖａｎｃｅｄｃｅｒａｍｉｃｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉ ｎｔｈｅｎｅａｒｆｕｔｕｒｅａｒｅａｌｓｏｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｕｔ ｔｉｎｇｔｏｏｌｍａｔｅｒｉａｌｃｅｒａｍｉｃｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ一 、前言随着精细陶瓷工业的飞速发展，采用高纯度、超细的各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物 制造的现代陶瓷刀具材料不断出现‘”，其物理机械性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用 范围不断扩大，几乎可以加工包括各种难加工材料在内的所有黑色金属和有色金属。陶瓷刀具材料 在耐磨损、耐高温、耐腐蚀和抗氧化等方面具有硬质合金刀具无法比拟的优点。陶瓷刀具材料的推 广应用不但能大大提高切削加工效率，也将极大地促进切削技术的进步）］。陶瓷已经成为现代制 造技术走向２０００年最有希望的刀具材料。二、陶瓷刀具材料研究的新进展现代陶瓷刀具材料大 多数为多相微晶陶瓷。其种类及可能的组合见图１。目前国内外广泛使用的以及正在开发的陶瓷刀 具材料，基本上都是根据图１的组合以不同的增韧补强机理来进行微观结构设计的。其中以氧化物 和氨化物为基体的陶瓷刀具材料应用最为广泛。氧化铝系陶瓷刀具材料包括纯ＡＩ。Ｏ３及在ＡＪ 他中添加各种化合物（如ＴＩＣ、ＴＩＮ、ＴＩＢ、ＳＩＣ）和同时添加化合物、粘结金属（如Ｍ ｏ、Ｎｉ）制成的复相陶瓷．该类刀具材料是用来切削高强度钢、淬硬钢等材料的优异刀具材料， 也是目前所有的陶瓷刀具中应用最广、消耗量最大的材料。氰化硅系陶瓷刀具材料是以ｓｊｗ。为 主，同时添加少量的添加剂制成的，如Ｓｉ３Ｎ．＋ＴＩＣ、Ｓｉａｌｏｎ等均为氨化硅系陶瓷。 该类陶瓷刀具在高速大进给粗切灰铸铁时性能优良。田ＩＮ瓷刀具材料的种类及其可能的组合七十 年代后期开发了利用氧化铝相变增韧的陶瓷刀具材料（如ＡＩ。Ｏ。－ＺｒＯ。），该材料的断裂 韧性可提高２～４倍。但进入八十年代中期，人们发现ＺｒＯＺ相交增韧随温度升高而急剧下降。 在高速切削时，由于切削高温使得该材料的增韧效果显著降低，因此其应用受到一定的限制。八十 年代中期，高性能商品化的碳化硅晶须问世，使得晶须增韧陶瓷刀具材料得以迅速发展。该材料的 增韧效果不受温度的限制，可显著提高刀具的抗破损性能，非常适于加工高温镍基合金。总的来说 ，陶瓷刀具材料在五十年代后期是以ＡＩ。Ｏ。为主，六十年代至七十年代以Ａ１２Ｏ。－ＴＩＣ 系为主，八十年代发展了氯化硅系和·相交增韧陶瓷刀具，进入九十年代后，研究工作几乎集中于 晶须增韧陶瓷刀具。图２为主要陶瓷刀具材料的强度及韧性。可见随着陶瓷刀具材料的发展，其强 度和断裂韧性均有较大幅度的增长。图ＺＮ瓷刀具材料的强度及韧性三、陶瓷刀具材料的增韧补强 机理研究由于陶瓷刀具材料所固有的脆性，限制了其实际应用范围。因此改善其脆性，增加其强度 ，提高其在实际应用中的可靠性，便成为其能否被广泛应用的关键。围绕改善陶瓷材料的脆性和提 高其强度的问题，近年来各国学者提出了多种增韧补强机理［‘·‘］，制备了多种高性能的陶瓷 刀具材料。下面就国内外近年来发展的六种增韧补强机理和发展动态作一简要评述。１．弥散增韧 弥散增韧主要是在陶瓷基质中加入高弹性模量的第二相粒子。高弹性模量颗粒在基质材料拉伸时阻 止横向截面收缩，而要达到和基体相同的横向收缩，就必须增加纵向拉应力，从而具有强化效果。 增加外界拉应力使材料消耗了更多的能量，因此也起增韧作用。颗粒弥散增韧与强度无关，因此可 作为高温增韧机制而加以利用，利用这种机制开发的陶瓷刀具材料有ＡｌＡｌ。ＴＩＣ、Ａ１２Ｏ ３－ＴＩＢ等。２．激烈社槽韧微裂纹增韧是提出较早的在多种材料中存在的一种增韧机理，它主 要利用某种机制，如ｉｒｃ。相变产生的体积膨胀在基体中产生微裂纹或微裂纹区，当主裂纹进入 微裂纹作用区后，分裂为一系列小裂纹，产生新的断裂表面，从而吸收裂纹扩展的能量。微裂纹增 韧在增韧的同时，伴随着强度的降低，关键是控制裂纹的尺寸，使之不能超过材料允许的临界裂纹 尺寸，否则将成为宏观裂纹，严重损害材料的强度。此外，微裂纹增韧机理适合于弹性模量比较低 的基质。已开发的刀具材料有ＡＩ。Ｏａ－ＺｒＯ。、Ａｌ。Ｏａ－ＴＩＣ－ＺｒＯ。等。３．应 力诱导相变相韧应力诱导相变增韧利用应力诱导四方ＺｒＯ。马氏体相变来改善陶瓷材料的韧性。 ＺｒＯ。在室温下为单斜晶系，当温度达到１１７０Ｃ时将由单斜晶系转化为亚稳态的四方晶型。 亚稳态的四方晶型ＺｒＯ。在应力作用下，可诱发相变使之重新转化为单斜晶型。陶瓷材料的烧结 温度一般在四方晶型ＺｒＯＺ稳定存在区，当从烧结温度冷却时，细分散的ＺｒＯＺ粒子可能受周 围基体的约束使四方相能在室温下以亚稳态保留下来。当刀具在使用中受外力作用时，刀具内的应 力可使四方相ｉｒｃ。粒子解除约束，诱发相变而转变为单斜晶型相变过程能吸收能量，抑制裂纹 的扩展，从而达到增韧的目的。这一机理的特点是增韧补强的幅度大，一般可提高基质的强度和韧 性２～４倍。目前已经制备了多种ＺｒＯ。补强陶瓷复合材料（如前节所列）。但它们的共同特点 是增韧效果随温度的升高而急剧下降。４．裂纹伯转增韧裂纹偏转增韧是考虑裂纹的非平面断裂效 应的一种增韧机理。当裂纹尖端遇到弹性模量比基质大的第二相时，裂纹偏离原来前进的方向，沿 两相界面或在基质内扩展，在基质内加入高弹性模量的晶须和颗粒均存在裂纹偏转增韧机制。这种 非平面断裂比平面断裂有更大的断裂表面，因而吸收更多的能量，从而起到增初作用。裂纹偏转增 韧机制要求第二相具有比基质更大的弹性模量。这种增韧机制也是高温增韧的有效方法之一。已开 发的刀具材料有川ＺＯｓ－ＴＩＮ、Ａ１２Ｏ３－ＴｆｆｉＺ等。５．桥联增韧桥联增初是指在基 质断裂后，晶须承受外界载荷并在断开的裂纹面之间架桥。桥接的晶须对基质产生使裂纹闭合的力 ，消耗外界载荷所做的功，从而提高了材料的韧性。晶须桥联是高温增韧补强的重要机理。已开发 的刀具材料有ＡＩ。Ｏ。－ＳＩＣｗ、Ｓｉ３Ｎ。－ＳＩＣｗ。６．拔出效应拔出效应是指晶须在 外界负载作用下从基质中拔出，因界面摩擦消耗外界负载的能量而达到增韧的目的。增韧效果受晶 须和界面滑动阻力的影响。晶须和基体界面必须有足够的结合力，以使外载能有效地传递给晶须， 但结合力不能太大，以保持足够的拔出长度。因拔出效应不随温度的升高而变化，所以也是一种有 效的高温增韧机理。已开发的刀具材料有Ｓｉ３Ｎ．－ＳＩＣｗ、ＡＩ。Ｏ。－ＺｒＯ。－ＳＩＣ ｗ等。由上述可知，为提高陶瓷材料的强度和韧性，已提出六种增韧机制，除应力诱导相交增韧随 温度升高而降低外，其余的增韧机理均可作为高温增韧机制。尤其是晶须增韧同时具有微裂纹、桥 联、裂纹偏转和拔出效应四种增韧效果，是目前研究最为活跃的增韧补强机理，已成为高技术现代 陶瓷研究开发的一个前沿领域。四、陶瓷刀具材料今后的研制方向１．开发同时利用两重或两重以 上的增韧补强机理进行多重增韧的陶瓷刀具材料，并应注重探讨多重增韧机理及其效果，以发展多 重增韧的陶瓷刀具新品种，如利用颗粒增韧、相交增韧和晶须增韧协同制备陶瓷刀具材料。２．现 有的晶须品种少而且成本高，因此应尽快开发低成本、高质量的各种晶须（如ＴＩＣ晶须、ＴＩＢ 晶须、ＴＩＮ晶须等），发展多种晶须增韧陶瓷刀具材料，以适应不同加工条件的需要。３．开发 微米和纳米复合工艺相结合的制造方法，研究晶须增韧纳米陶瓷刀具材料，这将有可能发展超强、 超韧陶瓷刀具材料。参考文献｜｜１．邓建新，艾兴．复相陶瓷刀具材料的研究进展及展望．《机 械科技的未来》论文集，１９９３年１１月２．艾兴，肖红．陶瓷刀具材料的切削加工．机械工业 出版社，１９８８３．ＲＷＳｌｅｉｎｂｒａｃｈ，Ｊ．ｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅｆｌＤｅｒａｍ ．Ｓｏｃ．１９９２；１０（２）４．ＰＦＢｅｃｈｅｒ，Ｊ．ｏｆｔｈｅＡｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓ ｏｃ．１９９１；７４（２）５．邓建新，艾兴．晶须增韧陶瓷刀具材料的增韧机理分析．山东工 业大学学报，１９９３；２３（２）６．肖虹，艾兴．晶须增韧Ａｌ２Ｏ３陶瓷刀具材料的增韧特 性及其对刀具破损的影响．硅酸盐学报，１９９２；２０（１）统辑：石明陶瓷刀具材料的增韧补 强研究@邓建新，艾兴$山东工业大学机械系刀具材料，陶瓷，增韧机理１．邓建新，艾兴．复相 陶瓷刀具材料的研究进展及展望．《机械科技的未来》论文集，１９９３年１１月２．艾兴，肖红 ．陶瓷刀具材料的切削加工．机械工业出版社，１９８８３．ＲＷＳｌｅｉｎｂｒａｃｈ，Ｊ．ｏ ｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅｆｌＤｅｒａｍ．Ｓｏｃ．１９９２；１０（２）４．ＰＦＢｅｃｈｅｒ， Ｊ．ｏｆｔｈｅＡｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．１９９１；７４（２）５．邓建新，艾兴．晶须增韧 陶瓷刀具材料的增韧机理分析．山东工业大学学报，１９９３；２３（２）６．肖虹，艾兴．晶须增韧Ａｌ２Ｏ３陶瓷刀具材料的增韧特性及其对刀具破损的影响．硅酸盐学报，１９９２；２０（１）Ｏ。、Ａｌ。Ｏａ－ＴＩＣ－ＺｒＯ。等。３．应力诱导相变相韧应力诱导相变增韧利用应力诱导四方ＺｒＯ。马氏体相变来改善陶瓷材料的韧性。ＺｒＯ。在室温下为单斜晶系，当温度达到
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